高强度弹簧用热处理钢丝的制作方法

专利名称：高强度弹簧用热处理钢丝的制作方法
技术领域：
本发明涉及可冷卷绕并具有高强度和高韧性的弹簧用钢丝。
背景技术：
伴随着汽车的轻量化和高性能化，弹簧应采用能使弹簧高强度化并且在热处理后拉伸强度超过1500MPa的高强度钢。近年来，也需要拉伸强度超过1900MPa的钢丝。这是因为在弹簧制造时即使通过消除应力退火(歪取り焼鈍)和氮化处理等加热稍加软化也可确保作为弹簧的无故障材料的硬度。
作为这种方法，在特开昭57-32353号公报中，通过加入V、Nb、Mo等元素，生成淬火固溶、回火析出的细微碳化物，由此能够限制位错的移动，提高耐疲劳特性。
另一方面，在钢盘条弹簧制造方法中，加热直至钢的奥氏体区域进行卷绕，然后，施以进行淬火回火的热卷绕，和将预先对钢进行淬火回火制成的高强度钢丝冷卷绕的冷卷绕工序。在冷卷绕工序中，由于在制造钢丝时能够使用可骤热骤冷的油回火处理或者高频处理等，因此，可以缩小弹簧材料原奥氏体粒径，结果，可以制造破坏特性优良的弹簧。而且，由于能够简化弹簧生产线中的加热炉等设备，因此，对于弹簧生产者也具有设备成本降低等优点，最近，弹簧的冷卷绕化正在进行。
但是，如果冷卷绕弹簧用钢丝的强度增大，冷卷绕时发生折损，无法成形为弹簧形状的情况很多，不得不通过无法兼顾强度和加工性的工业上不利的方法进行冷卷绕。通常，在阀弹簧的情况下，冷卷绕在线淬火回火处理(即油回火处理)的钢丝，例如，在特开平05-179348号公报中，在900～1050℃下加热卷绕，然后，在425～550℃下进行回火处理等，为了防止卷绕时的折损，在卷绕时将线材加热，在容易变形的温度下进行卷绕，然后，为了获得高强度进行卷绕后的调质处理。这种卷绕时的加热和卷绕后的调质处理，由于弹簧尺寸在热处理后偏移的原因或者处理效率极端降低，在成本和精度方面比冷卷绕的弹簧差。
关于碳化物的粒径，例如，如特开平10-251804号公报那样作出了关注Nb、V系碳化物的平均粒径的发明，但是，通过只控制V、Nb系碳化物的平均粒径，显示出不足的强度和韧性。而且还记载了在这种现有技术中担心由轧制中的冷却水引起产生异常结构，实际上推荐了干式轧制。这被推测在工业上是不正常的操作，与通常的轧制明显不同，例如即使控制平均粒径，在周边的基体结构中也产生不均一，表示产生了轧制故障。

发明内容
本发明的目的在于提供可冷卷绕并且兼有足够大气强度和卷绕加工性的拉伸强度2000MPa以上的弹簧用钢丝。
本发明者们发现，通过控制在目前的弹簧钢丝中未受到注意的钢中的碳化物，特别是渗碳体的大小，可以获得兼顾高强度和卷绕性的弹簧用钢丝。本发明的主导思想如下(1)高强度弹簧用热处理钢丝，特征在于含有以质量％计，C0.75～0.85％，Si1.5～2.5％，Mn0.5～1.0％，Cr0.3～1.0％，P0.015％以下，S0.015％以下，N0.001～0.007％，W0.05～0.3％，其余部分为铁和不可避免杂质，拉伸强度2000MPa以上，并且对于在显微镜观察面上所占的渗碳体系球状碳化物，其满足(粒子)当量圆直径在0.2微米以上的占有面积率为7％以下，当量圆直径在0.2～3微米的存在密度为1个/微米2以下，当量圆直径超过3微米的存在密度为0.001个/微米2以下，并且原奥氏体粒径编号为10号以上，残留奥氏体为12质量％以下，最大碳化物粒径为15微米以下，并且最大氧化物粒径为15微米以下。
(2)上述(1)记载的高强度弹簧用热处理钢丝，其特征在于以质量％计，还含有Mo0.05～0.2％，V0.05～0.2％中的一种或者两种。


图1是表示钢的淬火回火结构的显微镜照片。
图2是表示球状碳化物分析例的图，(a)是表示合金系球状碳化物的图，(b)是表示渗碳体系球状碳化物的分析例的图。
图3是概括表示切口弯曲试验方法的图，(a)是表示负载之前的图，(b)是表示负载之后的图。
具体实施例方式
发明者们通过规定用于获得高强度的化学成分并通过热处理控制钢中的碳化物形状，发明了在制造弹簧时确保足够的卷绕特性的钢丝。下面详细进行说明。
首先，对限制钢成分的理由进行说明。
C是对钢材的基本强度有很大影响的元素，为了获得比现有钢材更充分的强度，应为0.75～0.85％。不足0.75％时，无法获得足够的强度。特别是，即使在省略用于提高弹簧性能的氮化的情况下，要确保足够的弹簧强度，C也必须为0.75％以上。超过0.85％时，发生共晶析，并且析出大量的粗大渗碳体，因此，明显降低韧性。这同时还降低了卷绕特性。
Si是用于确保弹簧强度、硬度和耐疲劳性的必要元素，在Si少时，必要的强度和耐疲劳性不足，因此，以1.5％为下限。而且，Si具有将粒界的碳化物系析出物球状化并且细微化的效果，通过积极的加入，具有缩小粒界析出物的粒界占有面积率的效果。但是，如果过于大量加入，不仅使材料硬化，而且脆化。因此，为了防止淬火回火后发生脆化，以2.5％为上限。
Mn是为了获得足够的硬度，与钢中存在的S生成MnS固定，为了抑制强度降低，以0.5％为下限。而且，为了防止由Mn产生的脆化，以1.0％为上限。
N将钢中的基体硬化，在加入Ti、V等的合金元素时，以氮化物形式存在，对钢丝的性质有影响。在加入了Ti、Nb、V的钢中，容易生成碳氮化物，容易变成形成奥氏体颗粒细微化的定位粒子(ピン止め粒子)的碳化物、氮化物和碳氮化物的析出位置。因此，在弹簧制造之前施以的各种热处理条件下，能够稳定地生成定位粒子，可以细微地控制钢丝的奥氏体粒径。由于这个目的，加入0.001％以上的N。另一方面，过剩的N导致氮化物和以氮化物为核生成的碳氮化物和碳化物粗大化。例如，在加入Ti时，析出粗大的TiN，如果加入B，析出BN，导致特性破坏。因此，为了不造成这种损害，其加入量以0.007％为上限。
P将钢硬化，进一步发生偏析，使材料发生脆化。特别是在奥氏体粒界上偏析的P由于冲击值降低和氢的侵入，导致迟缓的破坏等。因此其加入量少些为好。因此，其加入量控制在脆化倾向显著的0.015％以下。
与P同样，如果在钢中还存在S，会使钢脆化。由于Mn尽量地减小了这种影响，MnS也形成夹杂物的形态，因此特性破坏降低。特别是，在高强度钢中，有时微量的MnS会产生破坏，希望尽量减小S。以这种不利影响变明显的0.015％为上限。
Cr是用于提高淬火性和回火软化阻力的有效元素，但是如果大量加入，不仅导致成本增加，而且会使淬火回火之后能看见的渗碳体粗大化。结果，由于线材脆化，在卷绕时容易产生折损。因此，为了确保淬火性和回火软化阻力，以0.3％为下限，以脆化变显著的1.0％为上限。特别是，如果C量在0.75％以上，在接近共析成分的情况下，抑制Cr量能够抑制粗大碳化物的生成，容易兼顾强度和卷绕性。另一方面，在进行氮化处理时，加入Cr时，容易加深由氮化产生的硬化层。因此，规定为0.3～1.0％。
W具有提高淬火性、在钢中生成碳化物并提高强度的作用。因此，优选尽量加入。W的特征与其他元素不同，特征在于使含渗碳体的碳化物的形状细微化。其加入量不足0.05％时，看不到效果，如果超过0.3％，生成粗大的碳化物，并且，有可能损害延展性等机械性能，因此，使W的加入量为0.05～0.3％。
Mo和V在钢中以氮化物、碳化物、碳氮化物形式析出。因此，如果加入一种或者两种这些元素，生成它们的析出物，可以获得回火软化阻力，即使经过在高温下的回火和在工序中加入的消除应力回火和氮化等热处理，也能够不发生软化而发挥高强度。这是因为抑制了氮化后弹簧内部的硬度降低并且使热硬化和消除应力回火变得容易，提高了最终的弹簧疲劳特性。而且，如果Mo和V的加入量过多，它们的析出物变得过大，在钢中与碳结合，生成粗大的碳化物。这样就减少了应该赋予钢丝高强度化的C的量，无法获得与加入的C量相当的强度。又由于粗大碳化物变成了应力集中源，因此卷绕过程中的变形容易造成折损。
Mo通过加入0.05～0.2％能够提高淬火性同时赋予回火软化阻力。这样，能够提高控制强度时的回火温度。这对降低粒界碳化物的粒界占有面积率有利。即，通过在高温下对以膜状析出的粒界碳化物进行回火，具有球状化和降低粒界面积率的效果。而且，Mo在钢中与渗碳体另外生成Mo系碳化物。特别是，与V等相比，由于其析出温度低，因此，具有控制碳化物粗大化的效果。其加入量不足0.05％时，看不到效果。其中，如果其加入量多，通过轧制和拉丝前的软化热处理等，容易生成过冷组织，容易变成断裂和拉丝时断线的原因。即，在拉丝时，优选通过预先对钢材进行铅浴淬火处理，形成铁氧体珠光体组织，然后拉丝。但是，如果Mo超过0.2％，直至珠光体相变结束的时间延长，在通常的铅浴淬火设备中，无法完成珠光体相变，导致在钢材中不可避免的小偏析部分中生成马氏体。这种马氏体是造成拉丝时断线的原因，在不发生断线而以内部裂缝形式存在的情况下，也大大劣化了最终产品的特性。因此，将抑制这种马氏体结构生成、工业上稳定轧制、容易拉丝的0.2％为上限。
而且，对于V，除了抑制生成氮化物、碳化物、碳氮化物造成的奥氏体粒径的粗大化之外，还可用于在回火温度下的钢丝硬化和氮化时表层的硬化。其加入量不足0.05％时，几乎看不到加入的效果。而大量加入时，生成粗大的未固溶夹杂物，降低韧性，同时，与Mo同样，容易生成过冷组织，容易变成破裂和拉丝时断裂的原因。因此，以工业上容易稳定操作的0.2％为上限。
对碳化物的规定进行说明。为了兼顾强度和加工性，钢中的碳化物形态是重要的。这里所说的钢中碳化物是指热处理后可以看到的渗碳体和其中合金元素固溶的碳化物(下文二种综合表示为渗碳体)和Nb、V、Ti等合金元素的碳化物和碳氮化物。这些碳化物能够通过镜面研磨钢丝并进行蚀刻来观察。
图1中表示典型的观察例。由此可在钢中看到针状和球状的两种碳化物。通常钢通过淬火形成马氏体的针状组织，通过回火生成碳化物，由此知道兼顾了强度和韧性。但是，在本发明中注意到，如图1所示，不一定只是针状组织，连球状碳化物1也大量残留，发现这种球状碳化物的分布对弹簧用钢丝的性能有很大影响。这种球状碳化物可被认为是在油回火处理和高频处理产生的淬火回火中，不充分固溶，在淬火回火工序中球状化并且生长或者缩小的碳化物。这种尺寸的碳化物并没有完全赋予通过淬火回火产生的强度和韧性。因此发现，由于将钢中的C固定不仅浪费了单独加入的C，而且，生成应力集中源，成为了造成钢丝的机械性质降低的原因。
象本材料那样，在将钢淬火回火之后进行冷卷绕时，碳化物影响这种卷绕特性，即直至断裂的弯曲特性。至此，为了获得高强度，除了C之外，通常还加入大量的Cr、V等合金元素，但是，强度过高，变形能不足，存在卷绕性劣化的不利情况。其原因可以认为是钢中析出的粗大碳化物。
在图2(a)和(b)中表示根据安装在SEM上的EDX的分析例。结果，采用透过电子显微镜的复制法，也可以获得同样的分析结果。现有的发明只注意到V、Nb等合金元素系的碳化物，其一个例子是图2(a)，特征在于在碳化物中Fe峰非常小。但是，在本发明中，不仅有现有的合金元素系的碳化物，而且，发现如图2(b)所示，当量圆直径为3微米以下的Fe3C和其中只固溶合金元素的即渗碳体系碳化物的析出形态是重要的。如本发明那样，在达到现有钢丝以上的高强度和加工性的情况下，如果3微米以下的渗碳体系球状碳化物多，会大大损害加工性。下文将这种球状并且如图2(b)所示的以Fe和C为主要成分的碳化物称为渗碳体系碳化物。
这些钢中的碳化物可以通过对进行了镜面研磨的样品施以苦味醇等的蚀刻进行观察，但是对于其尺寸等详细的观察评价，必须通过扫描型电子显微镜在3000倍以上的高倍率下进行观察，这里作为对象的渗碳体系球状碳化物的当量圆直径为0.2～3微米。通常，钢中碳化物基于确保钢的强度、回火软化阻力是不可缺少的，其有效粒径为0.1微米以下，而如果超过1微米，对强度和奥氏体粒径的细微化没有贡献，仅将变形特性劣化。但是，在现有技术中，其重要性连此都未认识到，只注意到V、Nb等合金系碳化物，相当于圆的粒径3微米以下的碳化物，特别是渗碳体系球状碳化物被认为是无害的，没有发现对在本发明中作为主要对象的0.1～5微米的碳化物进行研究的例子。
而且，在本发明中作为对象的3微米以下的渗碳体系球状碳化物的情况下，不仅是大小，连数量也是重要的。因此，考虑到两者，规定了本发明的范围。即，如果相当于圆的平均粒径小到0.2～3微米，其数量非常多，在显微镜观察面中的存在密度超过1个/微米2，卷绕特性的劣化变得显著，因此，以此为上限。
如果碳化物的尺寸超过3微米，尺寸的影响变得更大，因此，显微镜观察面上的存在密度超过0.001个/微米2，卷绕特性的劣化变得显著。因此，以碳化物当量圆直径超过3微米的碳化物在显微镜观察面上的存在密度0.001个/微米2为上限，以本发明的范围为下限。
与渗碳体系球状碳化物的尺寸无关，其显微镜观察面中的占有面积如果超过7％，卷绕特性的劣化变得显著，无法卷绕。因此，在本发明中，将显微镜观察面的占有面积规定为7％以下。
另一方面，原奥氏体粒径与碳化物一起大大影响着钢丝的基本性质。即，原奥氏体粒径小的，疲劳特性和卷绕性优良。但是，如果随着一些奥氏体的粒径减小，含有规定以上的大量的上述碳化物，这种效果小。通常，为了减小奥氏体的粒径，降低加热温度是有效的，反之，增加上述碳化物。因此，对具有碳化物量与原奥氏体粒径的平衡的钢丝进行精加工是重要的。在碳化物满足上述规定的情况下，如果原奥氏体粒径编号不足10号，无法获得足够的疲劳特性，因此规定原奥氏体粒径编号为10号以上。
残留奥氏体大多残留在偏析部分和原奥氏体粒界附近。残留奥氏体由于加工诱发相变而变成马氏体，但是还发现，如果在弹簧成型时发生诱发相变，在材料中产生局部的高硬度部分，还不如降低作为弹簧的卷绕特性。而且，最近的弹簧发生由于喷丸硬化和凝结等塑性变形引起的表面强化，在具有包含多个施加这种塑性变形的工序的制造工序的情况下，在早期的阶段产生的加工诱发马氏体降低破坏变形，降低了加工性和使用中的弹簧破坏特性。而且，在引入碰伤等工业上不可避免的变形的情况下，卷绕中也容易发生折损。因此，通过尽量降低残留的奥氏体，和抑制加工诱发马氏体的生成，可以提高加工性。具体的，如果使用奥氏体的量超过12％(质量％)，碰伤等的敏感性提高，在卷绕和其他操作中容易折损，因此控制在12％以下。
特别是，在如本发明的C量在0.75％以上的情况下，如果马氏体生成温度(开始温度Ms点，结束温度Mf点)为低温，在淬火时不形成相当的低温就不生成马氏体，残留奥氏体容易残留。载工业淬火中采用水或者油，残留奥氏体的控制必须是高度的热处理控制。具体地说，必须将冷却介质保持在低温，在冷却后也维持在极低的温度，控制确保马氏体相变时间等。工业上为了在连续生产线上进行除了，冷却介质的温度容易上升到接近100℃，但是优选保持在60℃以下。
而且，含有合金元素系碳化物的整个碳化物的最大碳化物和最大氧化物的粒径都超过15微米，可降低疲劳特性，因此控制其上限为15微米。
通常，弹簧钢在连续铸造之后经过钢坯轧制、线材轧制，拉丝，对冷卷绕的弹簧通过油回火处理和高频处理赋予强度。为了控制渗碳体系球状碳化物，不仅需要油回火处理和高频处理等决定钢丝强度的最终热处理，还需要对拉丝之前进行的轧制时特别注意。即，渗碳体系球状碳化物可被认为是在轧制等中以未溶解的渗碳体和合金碳化物为核生长的，因此，在轧制等各加热工序中，将成分充分固溶是重要的。在本发明中重要的是，在轧制中也加热到尽可能高的温度下进行轧制、并供于拉丝。
实施例在表1中表示在直径4mm处理时的本发明和比较钢的化学成分、当量圆直径0.2微米以上的渗碳体系球状碳化物占有面积率、当量圆直径0.2～3微米的渗碳体系球状碳化物存在密度、当量圆直径超过3微米的渗碳体系球状碳化物存在密度、最大碳化物直径和最大氧化物直径、原奥氏体粒度编号、残留奥氏体的量(质量％)、拉伸强度、卷绕特性(切口弯曲角度)和平均疲劳强度。
本发明的发明例1将用250吨转炉精炼的产物通过连续铸造制成钢坯。其他实施例是在2吨的真空熔解炉中熔制之后，通过轧制制成钢坯。这时，在发明例中，在1200℃以上的高温下保持一定的时间。然后，在任何一种情况下，由钢坯轧制成直径8mm，通过拉丝，制成直径4mm。另一方面，比较例是在通常的轧制条件下轧制并供于拉丝。
碳化物量和强度因化学成分而不同，在本发明中，对应于拉伸强度达到2100Mpa左右和满足权利要求规定的化学成分，进行热处理。另一方面，对于比较例，仅对应于拉伸强度进行热处理。
在淬火回火处理(油回火处理)中，将拉丝材料连续通过加热炉，为了使钢内部温度充分加热，设定加热炉通过时间。在本实施例中，使加热温度为950℃，加热时间为150秒，淬火温度为50℃(油槽)。进一步在回火温度400～500℃、回火时间1分钟进行回火，调整强度。结果得到的在大气气氛下的拉伸强度在表1中表示。
表1

得到的钢丝直接供于碳化物的评价、拉伸特性、切口弯曲试验。另一方面，关于疲劳特性评价，对表面施以模仿弹簧制造时的消除应力退火的热处理400℃×20分钟，然后，进行喷丸硬化处理(断焊丝直径0.6mm×20分钟)，在施以低温消除应力的180℃×20分钟，制成疲劳实验片。
碳化物的尺寸和数量的评价是，将热处理的钢丝在纵向截面研磨成镜面，通过苦味酸进行蚀刻，浮出碳化物。在光学显微镜水平下，测定碳化物的大小是困难的，因此，用扫描型电子显微镜在倍率×5000倍下随意地拍摄钢丝1/2R部分的十视场的照片。用扫描型电子显微镜上安装的X射线微分析器确认该球状碳化物是渗碳体系球状碳化物，并且，采用图像处理装置由该照片将球状碳化物双值化，由此，测定其尺寸、数量和占有面积。整个测定面积为3088.8微米2。
残留奥氏体的测定是采用直流磁化装置测定产生的样品磁通密度，将磁通密度换算成残留奥氏体的量来求出。换算时采用先求出磁通密度和残留奥氏体量关系的校正曲线。
拉伸特性采用JIS Z 2201 9号实验片根据JIS Z 2241进行。从断裂负荷算出拉伸强度。
切口弯曲试验的概要在图3(a)和(b)中表示。切口弯曲试验按照如下的顺序进行。用顶端半径50微米的冲头在钢丝纵向上冲出直角最大深度为30微米的槽(切口)，如图3(a)所示，用负荷2施加3点弯曲变形，以使槽部分负荷最大拉伸应力。继续施加弯曲变形，直至从切口部分断裂，如图3(b)所示，测定断裂时的弯曲角度。测定角度3如图3(b)所示，角度越大，卷绕特性越良好。从经验上说，对于直径4mm的钢丝，在切口弯曲角度25度以下，难以卷绕。
疲劳试验是中村式旋转弯曲疲劳试验，以表示10根样品以50％以上的概率计为107循环以上的寿命的最大负荷应力为平均疲劳强度。
如表1所示，对于直径4mm的钢丝，如果化学充成分在规定的范围之外，碳化物难于控制，在作为卷绕性指标的切口弯曲试验中的弯曲角度减小，卷绕特性变差，中村式旋转弯曲疲劳强度差。而且，即使化学成分在规定的范围内，与通过事先退火来进行碳化物的稳定化和淬火时加热不足引起未固溶碳化物残留、淬火的冷却不足等热处理条件的不完善造成最大氧化物粒径和原奥氏体粒径在本规定范围之外的比较材料相比，卷绕特性或者疲劳特性变差。另一方面，即使满足对于碳化物的规定，如果强度不足，疲劳强度也会不足，无法用作高强度弹簧。
本发明的钢丝通过减小冷卷绕弹簧用钢丝中含有渗碳体的球状碳化物的占有面积率、存在密度、奥氏体粒径和残留奥氏体的量，能够制造可以将强度提高至2000MPa以上，确保卷绕性，并且高强度和破坏特性优良的弹簧。
权利要求
1.一种高强度弹簧用热处理钢丝，特征在于含有以质量％计，C0.75～0.85％，Si1.5～2.5％，Mn0.5～1.0％，Cr0.3～1.0％，P0.015％以下，S0.015％以下，N0.001～0.007％，W0.05～0.3％，其余部分为铁和不可避免杂质，拉伸强度2000MPa以上，并且关于在显微镜观察面上所占的渗碳体系球状碳化物，其满足当量圆直径在0.2微米以上的占有面积率为7％以下，当量圆直径在0.2～3微米的存在密度为1个/微米2以下，当量圆直径超过3微米的存在密度为0.001个/微米2以下，并且原奥氏体粒径编号为10号以上，残留奥氏体为12质量％以下，最大碳化物粒径为15微米以下，并且最大氧化物粒径为15微米以下。
2.根据权利要求1记载的高强度弹簧用热处理钢丝，其特征在于以质量％计，还含有Mo0.05～0.2％，V0.05～0.2％中的一种或者两种。
全文摘要
本发明提供一种在高强度下也具有优良卷绕性的弹簧用钢丝，其特征在于含有以质量％计，C0.75～0.85％，Si1.5～2.5％，Mn0.5～1.0％，Cr0.3～1.0％，P0.015％以下，S0.015％以下，N0.001～0.007％，W0.05～0.3％，其余部分为铁和不可避免杂质，拉伸强度2000MPa以上，并且关于在显微镜观察面上所占的渗碳体系球状碳化物，其满足当量圆直径在0.2微米以上的占有面积率为7％以下，当量圆直径在0.2～3微米的存在密度为1个/微米
文档编号C22C38/04GK1491291SQ02804705
公开日2004年4月21日 申请日期2002年2月7日 优先权日2001年2月7日
发明者桥村雅之, 宫木隆成, 萩原博, 林博昭, 铃木章一, 椎木克昭, 山田範之, 小池精一, 一, 之, 成, 昭 申请人:新日本制铁株式会社, 铃木金属工业株式会社, 本田技研工业株式会社